中国石油大学钻井工程课程设计.doc

1、钻井工程课程设计 前言钻井与完井工程设计主要是指在得到地质设计后，如何以地质设计为依据，完成一口井的综合、合理的钻井工程设计。钻井工程设计是石油工程的一个重要部分，是确保 油气钻井工程顺利实施和质量控制的重要保证，是钻井施工作业必须遵循的原则，是组织 钻井生产和技术协作的基础，是搞好单井预算和决算的唯一依据。主要目的层段的设计必须体现有利于发现与保护油气层，非目的层段的设计主要考虑 满足钻井工程施工作业和降低成本的需要。本设计的主要内容包括：一、井身结构设计及井身质量要求，原则是能有效地保护油 气层，使不同地层压力梯度的油气层不受钻井液污染损坏，应避免漏、喷、塌、卡等复杂 情况发生，钻下部高压

2、地层时所用的较高密度钻井液产生的液柱压力，不致压裂上一层管鞋处薄弱的裸露地层；二、套管强度设计；三、钻柱设计：给钻头加压时下部钻柱是否会 压弯，选用足够的钻铤以防钻杆受压变形；四、机械破岩参数设计；五、水力参数设计等 几个方面的基本设计内。9目录1.地质概况 .31.1 地理概况.31.2 地质基本数据.31.2.1 井号.31.2.2 井别.31.2.3 井位.31.2.4 设计井深.41.2.5 目的层.41.2.6 完钻层位.41.2.7 完钻原则.41.2.8 钻探目的.41.3 地层层位预测及岩性.42.技术指标及质量要求.62.1 井身质量要求.62.2 固井质量要求.63.工程设

3、计 .83.1 井下复杂情况提示.83.2 地层可钻性分级及地层压力预测.83.2.1 地层可钻性分级.83.2.2 压力剖面预测.93.3 井身结构.93.3.1 钻井液压力体系.103.3.2 校核各层套管下到初选点深度 H ni 时是否会发生压差卡套 .103.3.3 套管层次与深度的确定.113.3.4 套管柱强度设计.133.3.5 套管柱设计结果.183.4 钻井主要设备.183.4.1 钻机编号.183.4.2 钻机型号.183.4.3 提升系统.183.4.4 井架.193.4.5 转盘.193.4.6 泥浆泵.193.4.7 柴油机.193.5 钻具组合.203.5.1 各次

4、开钻钻具组合.253.6 钻头及钻井参数设计.323.6.1 钻头设计.323.6.2 钻井参数设计.34参考文献： .491.地质概况1.1 地理概况该探井位于 504 和 45 地震测线交点，距 XX 省 XX 市东 500m，所在的地质构造为 XX 凹 陷。该井的海拔较低，钻该井目的是通过打开QJ层来了解该层的油气情况扩大该油区的勘探范围，增加油区的总体油气后备储量。1.2 地质基本数据1.2.1 井号:A51.2.2 井别:预探井1.2.3 井位： (1)井位座标：纵（X）4275165m横（Y）20416485m(2)地面海拔:50m(3)地理位置：XX 省 XX 市东 500m(4

5、)构造位置：XX 凹陷(5)过井测线：504 和 45 地震测线交点1.2.4 设计井深： H=3000 + 4100 + 学号的后二位数字 3 =3652m1.2.5 目的层： QJ 层，底层深度 3650m，分层厚度 150m1.2.6 完钻层位：A、B、C、D、E、F3、F2J、F2K、 F1、 QJ1.2.7 完钻原则：当钻入目的层 150m 完钻1.2.8 钻探目的：了解 XX 构造 QJ 含油气情况，扩大勘探区域，增加后备油气资源1.3 地层层位预测及岩性表 1 地层层位预测及岩性层位代号底界深度，m分层厚度，m主要岩性A280砾岩层夹砂土,未胶结B600320上部砾岩,砂质砾岩,

6、中下部含砾砂岩C1050450中上部含砺砂岩、夹泥岩和粉砂质泥岩；下部砺状砂岩，含砺砂岩、泥岩、粉砂质泥岩不等厚互层D1600泥岩、砂质泥岩、砺状砂岩、含砺砂岩不等厚互层，泥质粉砂岩E1900300砂质泥岩、泥质粉砂岩、夹砺状砂岩、含砺砂岩F32650750泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩F2J2900250泥岩夹钙质砂岩，夹碳质条带煤线，中部泥岩夹煤层、下部泥岩、粉砂岩、泥质粉砂岩F2K3150250泥岩为主，泥质粉砂岩，中粗砂岩，砂砾岩间互F13500350泥岩、泥质砂岩、下部灰褐色泥岩QJ3660(未穿)150深灰，浅灰色灰岩为主，间夹褐，砖红色泥岩地质概况如表 2表 2 地质概况井 别探

7、井井 号A5设计井深3716m目的层Q J井 位坐标地面海拔m50纵（ x ）m4275165横（ y ）m20416485测线位置504 和 45 地震测线交点地理位置XX 省 XX 市东 500m构造位置XX 凹陷钻探目的了解 XX 构造 Q 含油气情况，扩大勘探区域，增加后备油气源J完钻原则进入QJ 150m 完钻完井方法先期裸眼层位代号底界深度，m分层厚度，m主要岩性描述故障提示A280砾岩层夹砂土,未胶结渗漏B600320上部砾岩,砂质砾岩,中下部含砾砂岩渗漏C1050450中上部含砺砂岩、夹泥岩和粉砂质泥岩；下部砺状砂岩，含砺砂岩、泥岩、粉砂质泥岩不等厚互层防塌D1600泥岩、砂质

8、泥岩、砺状砂岩、含砺砂岩不等厚互层，泥质粉砂岩防漏防斜E1900300砂质泥岩、泥质粉砂岩、夹砺状砂岩、含砺砂岩防斜防漏F32650750泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩防斜F2J2900250泥岩夹钙质砂岩，夹碳质条带煤线，中部泥岩夹煤层、下部泥岩、粉砂岩、泥质粉砂岩防斜、 塌、卡F2K3150250泥岩为主，泥质粉砂岩，中粗砂岩，砂砾岩间互F13500350泥岩、泥质砂岩、下部灰褐色泥岩防漏、喷、卡QJ3650 (未穿)150深灰，浅灰色灰岩为主，间夹褐，砖红色泥岩防漏、喷、卡2.技术指标及质量要求2.1 井身质量要求表 3井段（m）井斜（0）水平位移（m）全角变化率（0/25m）0-1000

9、303010/25m-200040501015/25m-3000508020/25m-4000601002015/25m-5000701402030/25m2.2 固井质量要求固井质量采用声波测井和变密度测井综合评价，要求声幅20%；变密度测井反应弱 套管波，强地层波。（1）完钻前按下套管管串设计准备好套管附件、转换短接、联顶节、循环接头等必要 配件，以保证各配件的尺寸、螺纹类型相匹配；（2）完钻前取固井水样进行水泥浆性能复核试验；（3）生产套管下入前认真通井循环，保证套管下到底。套管下完后尽快固井，不能长 时间循环；（4）固井候凝 48 小时后钻分级箍。钻完分级箍后，必须循环冲洗干净，方可向

10、下钻 进；（5）钻完全井水泥塞后，必须大排量循环冲洗干净胶皮及铝片,套管内必须替换成清水；(6)钻水泥塞前及起钻后需丈量并记录钻头外径，钻头外径变化不得超过 0.25mm；（7）必须认真丈量钻具尺寸及方入，留好人工井底，起钻测声、放、磁；（8） 水泥环与套管壁、井壁胶接紧密，管外无串槽；（9）油层套管水泥浆返深可根据实钻油气显示情况最终确定。原则上含气井水泥浆应返至地面，不含气井水泥浆返高至少高于最浅油顶 200 米；（10） 固井质量检查测井测定的固井质量应至少达到合格以上标准；（11）根据地层特性、储层特点、固井工艺及固井质量要求，科学合理编写固井施工设计；（12）固井前井眼及钻井液准备要

11、求：a.针对易漏、出水地层进行堵漏治水，提高地层承压能力，确保固井质量；b.完钻固井前要求钻井液做到粘切低、动塑比低、泥饼薄而韧，满足固井要求。（13）下套管前必须认真细致通井，确保井下安全及井眼畅通，通井时应带大接头或欠尺寸稳定器，防止下套管遇阻和卡钻，气层段反复划眼，以清除井壁的泥饼，充分循环稀 释泥浆，大排量洗井，确保井眼畅通，无漏失、井塌，井底无沉砂；（14）使用的浮鞋，浮箍，分级箍在下套管前应认真检查，确保附件的正常使用，分级箍严禁碰撞，用套管钳上扣时。应借用上一跟套管传递扭矩，达到上扣的标准扭矩值和扭矩图。不得用套管钳咬分级箍的本体；（15） 严格按照下套管操作规程进行下套管作业，

12、认真检查固井工具及管串附件，合理加放扶正器，确保套管居中度67%。扶正器加放原则：a.浮箍以下加一组扶正器；b.浮箍到最下气层底部段每根都加扶正器,特别注意弹性扶正器必须加在接箍处；（16）下套管时必须平稳。若有漏失要严格控制下放速度在 30 秒/根以下，一般情况下在 1520 秒/根，不准猛提、猛放、猛刹，应保证井眼稳定，不发生井涌、井喷、井漏和井塌；（17）在井场通套管内径，通径规规格型号必须按照行业标准，严禁在钻台通套管内径，用清洗剂清洗套管螺纹，并检查密封面是否有损伤，必须使用带扭矩仪的套管钳紧螺纹，螺纹扭矩必须符合标准，并将螺纹扭矩打印上报甲方。必须使用拓普套管螺纹密封脂（拓普 10

13、1、拓普 102），确保丝扣的密封性；（18） 套管下完后，技术员应根据套管头的安装。计算好联入长度。井口安装好吊卡后，灌满泥浆后，用单凡尔开泵顶通后才可以大排量循环钻井液避免造成井漏；（19）根据井下工况及管内外液体的流变性能，进行流变性计算，科学合理应用顶替技术，提高顶替效率及一、二界面水泥环胶结质量；（20）科学全面的进行气侵、气窜综合评价及预测，为优化注水泥施工参数提供理论依据；（21）固井前应认真检查钻机、泵、循环系统、水泥头等设备和工具，确保固井施工连续顺利；（22）根据电测井径及现场经验，计算水泥浆量，采用干混工艺，确保水泥、外掺料及外加剂混拌均匀；（23）从立式罐及灰罐车取样，

14、模拟井下工况，对现场水样、水泥样品、外加剂等进行全套性能复核试验，确保固井施工安全；（24）水泥浆混拌、注替及碰压时，要根据井下情况，及时调整注替排量及流速, 减小U型管效应，降低环空流动阻力，减小压力激动，确保井下正常；（25）细化现场施工措施，加强施工连续性，强化施工人员责任性, 确保设备正常运转、水泥浆密度均匀、现场施工连续、安全；（26）用水泥车试压 25MPa，试压合格后方可交井。3.工程设计3.1 井下复杂情况提示3.1.1 在本井的钻井过程中，现场有关技术人员应充分了解、分析邻井事故复杂情况，防 止事故的发生，及时处理好工程复杂。注意观察地震对钻井的影响：井漏：井漏深度及层位：井

15、斜：易斜井段及对应层位；井喷：易井喷井段及对应层位；其它情况及对应层位；易串槽井段及原因。3.1.2 进入目的层，应根据实钻情况及时调整泥浆密度，注意防喷、防漏和防卡，一方面要搞好油气层的发现，保护工作，另一方面要切实搞好井控工作，确保安全施工。3.1.3 根据油田分公司钻开油气层申报制度要求，由地质监督以书面形式向钻井监督和井队提出油气层预告；原则：1）钻揭目的层前 7 天。2）目的层提前或非目的层发现油气显示要立即通知。3）邻井没有发现 H2S 气体，但本井应密切监控。22行业标准中 H S 的安全临界浓度为 20mg/m3（约 14PPm），若发现 H S，无论浓度高低，都要向勘探事业部

16、的钻井技术部及 HSE 管理办公室、生产技术处和质量安全环保处报告，同时作业队伍要向所属的上级部门报告。3.2 地层可钻性分级及地层压力预测3.2.1 地层可钻性分级表 4 各层段地层可钻级值地层ABCDEF3F2JF2KF1可钻性0.611.392.1633.57.35.24.93.2.2 压力剖面预测图 1 地层压力剖面3.3 井身结构钻探目的层为 Q 灰岩地层，确定完井方法为先期裸眼完井。油气套管下入 Q 层 35m。J J根据地质情况，钻达目的层过程中不受盐岩，高压水层等复杂地层影响，故井身结构设计 按地层压力和破裂压力剖面（图 1）进行。计系数见表 5。表 5 井身结构设计有关系数名

17、称Sg/cm3S gg/cm3S fg/cm3Skg/cm3PNMPaPAMPa数值0.050.050.030.051520来源理论计算理论计算区域资料统计区域资料统计区域资料统计区域资料统计S 抽吸压力系数。上提钻柱时，由于抽吸作用使井内液柱压力降低的值，用当量密度表示；S g 激动压力系数。下放钻柱时，由于钻柱向下运动产生的激动压力使井内液柱压力的增加值，用当量密度表示；S f 安全系数。为避免上部套管鞋处裸露地层被压裂的地层破裂压力安全增值，用当量密度表示，安全系数的大小与地层破裂压力的预测精度有关；Sk 井涌允量。由于地层压力预测的误差所产生的井涌量的允值，用当量密度表示，它与地层压力

18、预测的精度有关；PN 、 PA 压差允值。不产生压差卡套管所允许的最大压力差值。它的大小与钻井工艺技术和钻井液性能有关，也与裸眼井段的地层孔隙压力有关。若正常地层压力和异常高压同处一个裸眼井段，卡钻易发生在正常压力井段，所以压差允值又有正常压力井段和异常压力井段之分，分别用 PN 和 PA 。3.3.1 钻井液压力体系19最大泥浆密度计算公式为：max= pmax + S w（1）式中：3 max 某层套管钻进井段中所用最大泥浆密度， g/cm ；pmax该井段中所用地层孔隙压力梯度等效密度， g/cm 3 ；wS 抽吸压力允许值的当量密度，取 0.05 g/cm 3 。 发生井涌情况时：式中

19、：f = pmax + S w + S f +H pmaxH ni S k（2）f 第 n 层套管以下井段发生井涌时，在井内最大压力梯度作用下，上部地层不被压裂所应有的地层破裂压力梯度， g/cm 3 ；H ni 第 n 层套管下入深度初选点，m；kS 井涌允量，取 0.05 g/cm 3 ；fS 安全系数，取 0.03 g/cm 3 。wS 抽吸压力允许值的当量密度，取 0.05 g/cm 3 。3.3.2 校核各层套管下到初选点深度 H ni 时是否会发生压差卡套式中：prn= 9.81H mm(pmax+ S w pmin)103（3）prn 第 n 层套管钻进井段内实际的井内最大静止压

20、差，MPa；pmin该井段内最小地层孔隙压力梯度等效密度， g/cm 3 ；H mm 该井段内最小地层孔隙压力梯度的最大深度，m；若 prn p N 则有可能产生压差卡套管，这时中间套管下入深度应小于假定点深度。在第二种情况下中间套管下入深度按下面的方法计算： pper =p N0.00981H min+ p min S w（4）在压力剖面图上找出 pper 值，该值所对应的深度即为中间下入深度 H 。为避免发生压差卡套的许用压差， pN 取 20MPa 。3.3.3 套管层次与深度的确定3.3.3.1 油层套管下入深度初选点 H 2 的确定： 则按设计要求油气套管下入 Q J 层深度为 5m

21、H 2 = 3500 + 5 = 3505(m)3.3.3.2 由图 1 上查得最大地层孔隙压力梯度为1、确定中间套管下入深度初选点 H 2 ：由公式（2），将各值代入得：1.50gm 3 位于3200m 处。f1k= 1.50 + 0.05 + 0.03 + 3505 0.05H 2试取 H 2 = 2480m 代入上式得3505 3f1k= 1.50 + 0.05 + 0.03 + 0.05 = 1.65g m24803由上图查得 H 2 = 2480m 处当 p2480 = 1.651g m中间套管下入深度初选点为 H 2 = 2480m 。因为 f1k p2480 且相近,所以确定2、

22、校核中间套管下入到初选点 H 2 = 2480m 过程中是否会发生压差卡套管33由上图查得,得：H 2 = 2480m 处 p2480 = 1.1gm ，pmin = 1.0gm ，H mm = 2000m ，由式（3）prn= 9.81 2000 (1.1 + 0.05 1.0)10 3 = 2.943MPa因为 pm pN ，所以不会发生压差卡套管，故表层套管的下入深度为 2480m。3、确定表层套管下深度 H1 ：3由上述计算结果，中间套管鞋处 H 2= 1.1gm ,将其它的参数代入（2）式：f = 1.1 + 0.05 + 0.03 + 2480 0.05H 1将 H1 = 570m

23、 ，代入上式得到：f570 = 1.1 + 0.05 + 0.03 +2480570 0.05 = 1.3975g m 33查压力剖面图有： H1 = 570m 处的 p570 = 1.41g要求。3.3.3.3 井身结构设计结果m ，因 f570 p570 ，且相近，所以满足设计套管层次和每层套管的下入深度确定之后，相应的套管尺寸和井眼直径也就确定了。 套管尺寸的确定一般由内向外依次进行，首先确定生产套管的尺寸， 再确定下入生产套管的井眼的尺寸，然后确定中间套管的尺寸等，依次类推，直 到表层套管的井眼尺寸，最后确定导管的尺寸。查钻井手册（甲方），结合图 2 井身结构参数系列，钻头与套管尺寸匹

24、配结果如表 6， 图 3 所示。图 2井身结构参数系列表 6 井身结构设计表项目套管下深（m）套管外径（mm）钻头尺寸（mm）表层570406.6444.5中间2480273311.1油层3505177.8200.0四开3525149.20100020003000表层套管406.6mm570m钻头尺寸444.5mm570m中间套管273mm2480m钻头尺寸311.5mmm2480m生产套管177.8mm3505m钻头尺寸200.0mmmmm3505m四开钻头尺寸149.2mmmmm3505m图 3 井身结构示意图3.3.4 套管柱强度设计3.3.4.1 套管和套管柱 油井套管是优质钢材制成的

25、无缝管或焊接管，两端均加工有锥形螺纹。大多 数的套管是用套管接箍连接组成套管柱。套管柱用于封固井壁的裸露岩石。 某井段的最大外挤压力：式中：poc = d gH 1033（5）d 该井段所用泥浆的最大密度， g/cm ；H 某段钢级的下深度，m。某段钢级套管的最大下入深度： D（6）式中：H n =dgS D10 3 D 某段钢级套管抗外挤强度，MPa；SD 最小抗外挤安全系数，取 1.125。套管浮力系数：式中：dK B = 1 s3（7）d 钻某段所用的钻井液密度， g/cm ；s 某段所用钢材的密度，取 7.85 g/cm 3 。套管浮力：式中：F = qs lK B103（8）q s 某段所用套管的线重， kN m 。l 某段所用套管的长度， m 。安全系数： 抗拉安全系数： S t = 1.83.3.4.2 按抗外挤强度设计由下向上选择第一段套管 由公式（5）可知最大外挤压力为：poc= dgH 110 3 = 1.5 9.81 3505 10 3 = 51.576075(MPa )而允许抗外挤强度为：pc= poc S D = 51.576075 1.125 = 58.023(MPa )查钻井手册（甲方）选择第一段套管 均重为：D(2q = 1 D 2 )24g s（9